Galaxias. Amalgamaciones de estrellas, gas interestelar, polvo, escombros estelares y materia oscura. Ellos bailan el vals por el universo frío la gravedad alimenta su abrazo. De vez en cuando, las galaxias se transforman en enormes cúmulos de galaxias con masas que promedian 100 billones de veces la de nuestro sol.

Pero este no fue siempre el caso.

En el universo infantil, las temperaturas eran tan altas que los electrones y protones estaban demasiado calientes para formar átomos. Todo estaba caliente gas ionizado, no muy diferente de la superficie del sol.

Durante los próximos 400, 000 años, el universo se expandió y enfrió a alrededor de 3, 000 grados Celsius, sobre la temperatura de un horno industrial. A estas temperaturas, electrones y protones se combinaron en átomos de hidrógeno y liberaron fotones en el proceso. Esta luz llamada radiación cósmica de fondo de microondas, ha estado viajando por el espacio desde entonces, una marca de agua de espacio y tiempo.

Ahora, Los científicos han encontrado nuevas formas de extraer información de esta inagotable máquina del tiempo.

Restringir la cosmología con polarización CMB

En un estudio publicado en Cartas de revisión física , Fermilab y el científico de la Universidad de Chicago Brad Benson y sus colegas utilizan la polarización, u orientación, del fondo cósmico de microondas para calcular las masas de enormes cúmulos de galaxias utilizando un nuevo estimador matemático. Esta es la primera vez que los científicos han medido estas masas utilizando la polarización del CMB y el novedoso método de estimación.

"Hacer esta estimación es importante porque la mayor parte de la masa de los cúmulos de galaxias ni siquiera es visible:es materia oscura, que no emite luz pero interactúa a través de la gravedad y constituye aproximadamente el 85% de la materia en nuestro universo, "Dijo Benson.

El trabajo de los científicos puede eventualmente arrojar luz sobre la materia oscura, energía oscura y parámetros cosmológicos que revelan más sobre la formación de estructuras en el universo.

Destino:Antártida

En la estación Amundsen-Scott South Pole, personal de apoyo y científicos, apodado "vasos de precipitados, "trabajar las 24 horas para administrar el telescopio del Polo Sur. No es un trabajo fácil. La estación del Polo Sur Amundsen-Scott está ubicada en el lugar más al sur de la Tierra, donde la temperatura promedio es de menos 47 grados centígrados y el sol sale y se pone solo una vez al año. Pero el telescopio del Polo Sur, un telescopio de 10 metros encargado de observar el fondo cósmico de microondas, conocido como CMB, es más que capaz de lograr sus objetivos científicos en este duro entorno.

La cámara del telescopio del Polo Sur mide fluctuaciones minúsculas en la polarización de la luz CMB a través del cielo austral del orden de 1 parte en 100 millones en promedio. más sensible que cualquier otro experimento hasta la fecha.

"Estas minúsculas variaciones pueden verse afectadas por objetos grandes como cúmulos de galaxias, que actúan como lentes que crean distorsiones distintivas en nuestra señal, "Dijo Benson.

La señal que buscaban Benson y otros científicos era una onda a pequeña escala alrededor de los cúmulos de galaxias, un efecto llamado lente gravitacional. Usted mismo puede ver un efecto similar mirando a través de la base de una copa de vino transparente detrás de la cual se enciende una vela.

"Si miras a través del fondo de la base de una copa de vino hacia una llama, puedes ver un anillo de luz. Ese es el efecto que veríamos con una lente gravitacional fuerte, ", Dijo Benson." Estamos viendo un efecto similar aquí, excepto que la distorsión es mucho más débil y la luz CMB se extiende sobre un área mucho más grande en el cielo ".

Había un problema, sin embargo. Los científicos estimaron que necesitarían mirar alrededor de 17, 000 cúmulos de galaxias para medir el efecto de lente gravitacional del CMB y estimar las masas de cúmulos de galaxias con certeza, incluso usando su nuevo estimador matemático. Si bien el telescopio del Polo Sur proporcionó mediciones más profundas y sensibles de la polarización del CMB que nunca, su biblioteca de ubicaciones de galaxias contenía solo alrededor de 1, 000 cúmulos de galaxias.

Destino:Chile

Para identificar más ubicaciones de cúmulos de galaxias desde las que examinar la lente gravitacional de la luz CMB alrededor de los cúmulos de galaxias, los científicos necesitaban viajar aproximadamente 6, 000 kilómetros al norte del Polo Sur hasta la región de Atacama de Chile, hogar del Observatorio Interamericano Cerro Tololo.

La cámara de energía oscura, montado 2, 200 metros sobre el nivel del mar en el telescopio Blanco de 4 metros en Cerro Tololo, es una de las cámaras digitales más grandes del mundo. Sus 520 megapíxeles ven la luz de objetos que se originan a miles de millones de años luz de distancia y los captura con una calidad sin precedentes. Más importante, la cámara captura la luz y las ubicaciones de los 17, 000 cúmulos de galaxias que los científicos necesitaban para observar la lente gravitacional de la luz CMB por los cúmulos de galaxias.

Los científicos identificaron las ubicaciones de estos grupos utilizando datos de tres años del Estudio de Energía Oscura liderado por Fermilab y luego colocaron estas ubicaciones en un programa de computadora que buscó evidencia de lentes gravitacionales por los grupos en la polarización del CMB. Una vez encontrada la evidencia, ellos mismos podrían calcular las masas de los cúmulos de galaxias utilizando su nuevo estimador matemático.

Destino:lugares vírgenes

En el estudio actual, los científicos encontraron que la masa promedio de los cúmulos de galaxias es alrededor de 100 billones de veces la masa de nuestro sol, una estimación que coincide con otros métodos. Una fracción sustancial de esta masa está en forma de materia oscura.

Para sondear más profundo los científicos planean realizar experimentos similares usando una cámara mejorada del Telescopio del Polo Sur, SPT-3G, instalado en 2017, y un experimento CMB de próxima generación, CMB-S4, que ofrecerá más mejoras en la sensibilidad y más cúmulos de galaxias para examinar.

CMB-S4 consistirá en telescopios dedicados equipados con cámaras superconductoras de alta sensibilidad que operan en el Polo Sur, la meseta chilena de Atacama y posiblemente sitios del hemisferio norte, permitiendo a los investigadores restringir los parámetros de inflación, energía oscura y el número y masas de neutrinos, e incluso probar la relatividad general a gran escala.

Anthony Bourdain, un talentoso narrador y escritor gastronómico, una vez llamada Antártida "el último lugar virgen de la Tierra ... donde la gente se reúne para explorar el arte de la ciencia pura, buscando algo llamado hechos ".

Los científicos van mucho más allá de la Antártida a otro lugar virgen, los confines de nuestro universo, lidiar con los parámetros cosmológicos fundamentales y el comportamiento de la estructura en nuestro universo.